Ziele des MPEG-1 Audio Standards pan1996

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Einführung

• Kompression
  • perzeptuellen Eigenschaften unseres Gehörs
  • Quantisierungsrauschen
  • Maskierungseffekt
  • Kritische Bandbreite
• Standard definiert
  • MPEG Datenstrom für Decoder (siehe Decoder Layer1)
  • aber nicht Encoderarbeitsweise (siehe MPEG Audio Kodierungsprinzip)
• MPEG-1 Audio stets verlustbehaftet

Anforderungen

• Kodierung aller gängigen Abtastrate
• mehrere konstante Datenraten wählbar
• Kompressionsfaktor von 2.7 bis 24
• Free-bitrate Modus
• zusätzliche Features

Evaluierung MPEG Audio Klangqualität

• Hörtest
  • Professionelle Hörer evaluieren verschiedene Kompressionsraten
• Ergebnis
  • bis zu einer Kompression 1:6 kein Unterschied zu Original hörbar

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Einführung

Im MPEG-1 31 Audiostandard (siehe auch Der MPEG-1 Standard) werden ausschließlich Datenströme definiert, deren Daten sich aus Kompressionsalgorithmen ergeben, die zur Datenkompression die perzeptuellen Eigenschaften unseres Gehörs nutzen. Die wichtigsten Begriffe sind dabei das Quantisierungsrauschen,der Maskierungseffekt. und die Kritische Bandbreite. Es werden dabei die unterschiedlichen Abtaswerte nur in einer Genauigkeit kodiert, so dass das Quantisierungsrauschen maskiert wird und somit von unserem Ohr nicht mehr wahrgenommen werden kann. Im Standard ist definiert, wo welche Daten im MPEG Datenstrom angeordnet werden müssen, aber nicht, auf welche Art und Weise man zu diese Daten kommt. Das heißt, es ist zwar die Arbeitsweise des Decoders (siehe Decoder für MPEG-1, Layer1) streng festgelegt, die des Encoders lässt einen großen Spielraum für einen Entwickler zu. Dieser Spielraum wird in der Lerneinheit MPEG Audio Kodierungsprinzip ausführlich beschrieben. Weiters ist noch zu beachten, dass im MPEG-1 Standard nur Kodierungstechniken möglich sind, die stets verlustbehaftet arbeiten. Erst bei MPEG-2 Audio ist verlustfreie Kodierung möglich.

Anforderungen

Es sollen digitale Audiosignale mit allen gängigen Abtastraten kodiert werden können. Die Datenrate des komprimierten Signals soll frei wählbar sein. Durch dieses Feature kann man je nach Anwendung abwägen zwischen geringerer Datenrate oder höherer Qualität.

• Im MPEG/Audio Standard werden Audiosignale mit Abtastraten von 32, 44,1 und 48kHz zugelassen
• Es können Datenströme mit fixen Datenraten von 32 bis 224 kbits/s erzeugt werden. Das entspricht einem Kompressionsfaktor von 2.7 bis 24
• Zusäzlich bietet der MPEG Standard auch einen "free"-Bitraten Modus, der andere als die vordefinierten Datenraten erlaubt
• Zusätzliche Features
• Es gibt die Möglichkeit, dass man die Audiodatei nicht nur vom Anfang an anhören kann, sondern man die Aufnahme von jeder x-beliebigen Stelle starten und beenden kann. Zur schnelleren Navigation werden die Features schneller Vorlauf und schneller Rücklauf geboten

Evaluierung MPEG Audio Klangqualität

Während der Entwicklung des MPEG Audiostandards wurden immer wieder ausführliche Hörtests durchgeführt. Diese Tests zeigten, dass selbst unter idealen Hörbedingungen den professionellen Testhörern die Unterscheidung zwischen einem unkomprimierten Signal und dessen 1:6 komprimierter Variante unmöglich war - das entspricht einem Stereosignal mit einer Abtastfrequenz von 48kHz, einer Bittiefe von 16 Bit/Abtastwert, und einer komprimierten Datenrate von 256kbps. pan1996

Mehrkanalkodierung watk2001 pan1996

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• MPEG Datenstrom
  • enthält ein oder zwei Audiosignale
• 4 Modi
  • Mono
  • Zwei-Kanal
  • Stereo
  • Joint Stereo

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In einem MPEG Datenstrom können ein oder zwei Audiosignale verpackt sein. Diese können in vier verschiedene Modi kodiert werden.

• Mono
  • nur ein Tonkanal wird übertragen
• Zwei-Kanal
  • z.B. Wahlmöglichkeit zwischen zwei Sprachen, es werden die beiden Kanäle absolut getrennt voneinander kodiert
• Stereo
  • Für Stereo Kanäle werden "sharing bits of channels" verwendet. Das bedeutet keinen Verlust der Stereofonen Klangqualität (es handelt sich hier um keine joint stereo-Kodierung!)
• Joint Stereo
  • Hier werden wieder Höreigenschaften unseres Ohres ausgenutzt, um eine Datenreduktion zu erreichen. Stereofones Empfinden ist frequenzabhängig.So wird für Joint Stereo oberhalb einer bestimmten Frequenz das Audiosignal nur mehr mono übertragen. Bei der Intensitätsstereofonie - bei Wiedergabe wird der stereofone Klangeindruck durch Intensitätsunterschiede zweier Lautsprecher erzeugt - haben die Phasenunterschiede der beiden Kanäle wenig Einfluss auf das stereofone Empfinden und werden bei der Joint Stereo Kodierung daher auch nicht berücksichtigt. Bei Wiedergabe über Kopfhörer ist die Ausserachtlassung der Phasenunterschiede jedoch durch eine verminderte räumliche Klangauflösung sehr wohl hörbar. Mit Joint Stereo wird eine niedere Bitrate auf Kosten stereofoner Klangtreue erzielt.

Layers watk2001,305

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• MPEG-1 beschreibt Audiokompression für drei Qualitätsstufen
  • Qualitätsstufen heissen Layers
    • Layer 1 - niedrigste Qualitätssufe
    • Layer 2 - mittlere Qualitätsstufe
    • Layer 3 - höchste Qualitätsstufe, ident mit MP3

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auto

MPEG/ Audio Standard beschreibt 3 unterschiedliche Qualitätsstufen für die Audiokomprimierung. Diese unterscheiden sich durch Komplexität und Performance voneinander. Die Qualitätsstufen werden als Layers bezeichnet.

Alle drei Layer sind trotzdem einfach genug, um real-time Decoder Implementierungen zu ermöglichen.

Layer I

ist die einfachste Version, geeignet für low cost Anwendungen, bei denen nur mäßige Kompressionsfaktoren gefordert sind. Für eine zufriedenstellende Klangqualität muß mit Bitraten über 128kbits/s pro Kanal gearbeitet werden. Layer I wurde zum Beispiel bei der DCC 393 von Philips eingesetzt. Dabei betrug die Bitrate 192kbit/s pro Kanal.

Layer II

Ist im Aufbau von mittlerer Komplexität und ist konzipiert für Bitraten um 128kbits/s pro Kanal. Er ist dem Layer I sehr ähnlich. Sein psychoakustisches Modell verwendet zur Berechnung der Maskierungsschwellwerte eine genauere Frequenzauflösung des Audiosignals, ausserdem werden die 32 Subbander in tiefe , mittlere und hohe Frequenzen kategorisiert. Bei der Bitzuweisung werden diese dann unterschiedlich bewertet. Verwendet wird dieser Layer für DAB (Digital Audio broadcasting) und den Toninhalt von DVB (Digital Video Broadcasting), als Tonspur bei VCD 397 (Video Compact Disc: Datenrate von Video+Audio entsprechen der Datenrate einer herkömmlichen Audio CD, für Video wird Video MPEG-1 verwendet) und SVCD 398 (Super Compact Disc: Für die Videospur wird MPEG-2 mit einer variablen Rate bis zu 2700kbps (Audio+Video) verwendet). Unter anderem ist dieser Layer auch als Tonspur für die Video DVD (Digital Versitable Disc) zulässig.

Layer III

ist die komplexeste Version, bietet hohe Klangqualität auch bei niedrigen Bitraten um 64 kbit/s und darunter. Anwendung findet Layer III vor allem dort, wo in Telekommunikationssystemen nur geringe Übertragungsbandbreiten zur Verfügung stehen. Als hochqualitative Audiosignalübertragung via Internet ist dieser Layer unter der Bezeichnung MP3 bekannt.